[論文レビュー] Phase Asymmetry of Andreev Spectra From Cooper-Pair Momentum

Abhishek Banerjee, Max Geier+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、軌道的結合に起因する有限運動量対形成によって誘起される、平面磁場下におけるInAs/Al超伝導体-正規状態-超伝導体ジャンクションにおいて、位相非対称なアンドレーエフ束縁状態スペクトルを示している。この非対称性は0.15 Tで最大値に達し、磁場が存在しない場合には観察されない。これはスピン・軌道結合やゼーマン結合を必要としない非可逆的スーパーカレント応答の証拠を示している。

ABSTRACT

In analogy to conventional semiconductor diodes, the Josephson diode exhibits superconducting properties that are asymmetric in applied bias. The effect has been investigated in number of systems recently, and requires a combination of broken time-reversal and inversion symmetries. We demonstrate a dual of the usual Josephson diode effect, a nonreciprocal response of Andreev bound states to a superconducting phase difference across the normal region of a superconductor-normal-superconductor Josephson junction, fabricated using an epitaxial InAs/Al heterostructure. Phase asymmetry of the subgap Andreev spectrum is absent in the absence of in-plane magnetic field and reaches a maximum at 0.15 T applied in the plane of the junction transverse to the current direction. We interpret the phase diode effect in this system as resulting from finite-momentum Cooper pairing due to orbital coupling to the in-plane magnetic field, without invoking Zeeman or spin-orbit coupling.

研究の動機と目的

• スピン・軌道結合やゼーマン結合に依存せずに、超伝導接合における非可逆的アンドレーエフ束縁状態応答を調査すること。
• 平面磁場下におけるジョセフソン接合の準位間スペクトルにおける位相非対称性の起源を特定すること。
• 軌道的結合が単独で有限運動量対形成を誘発し、非可逆的スーパーカレント流れを生じることを確立すること。
• 三端子分光法を用いて、位相非対称なアンドレーエフ束縁状態の接合全域における空間的広がりを実験的に検証すること。

提案手法

• 100 nm幅の正規領域と1.8 µmの超伝導リードを有する平面的InAs/Alエpiタキシャルジョセフソン接合を形成した。
• 超伝導位相差および平面磁場の関数として、アンドレーエフ束縁状態スペクトルをマップするために局所的および非局所的トンネル分光法を実施した。
• 三端子コンダクタンス測定を用いて、位相非対称状態の接合全域におけるバルク的性質を確認した。
• 磁場に起因する軌道的結合を含むハミルトニアンを用いた理論的モデリングを実施し、プロキシミティ誘起位相勾配を組み込んだ。
• 材料特性（g因子、スピン・軌道結合、有効質量）から導かれたパラメータを用いて、エネルギー準位およびダイオード効率をシミュレートした。
• インダクタンスを含む・含まないモデルを比較し、運動エネルギーインダクタンスが位相差応答に与える影響を評価した。

Figure 1: Device schematic and micrograph (a) Schematic of a planar Josephson junction device consisting of two superconducting leads (blue) of width $w_{s}=1.8\,\mu$ m in epitaxial contact with the underlying semiconductor (brown). The normal region between the two leads is of width $w_{n}=100$ nm,

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン・軌道結合やゼーマン結合が存在しない状況でも、位相非対称なアンドレーエフ束縁状態をジョセフソン接合で誘起できるか？
• RQ2 平面磁場への軌道的結合が、有限運動量対形成を生成する役割を果たすか？
• RQ3 平面磁場の増加に伴い、アンドレーエフスペクトルの位相非対称性はどのように変化するか？
• RQ4 非可逆的アンドレーエフ束縁状態は接合端に局在しているのか、それとも正規領域全体に広がっているのか？
• RQ5 この系において、軌道的結合のみで達成可能な最大のダイオード効率は何か？

主な発見

• 位相非対称なアンドレーエフ束縁状態スペクトルは、平面磁場が存在する場合にのみ現れ、0.15 Tで最大値に達する。
• 三端子コンダクタンス分光法により、非対称スペクトルが接合のバルク領域全体に広がっていることが確認された。
• 磁場がゼロの状態では、アンドレーエフスペクトルは位相反転に対して対称であることが確認され、内在的な非対称性が存在しないことが示された。
• 観察された位相非対称性は、スピン・軌道効果やゼーマン効果とは無関係に、平面磁場への軌道的結合によって誘起された有限運動量対形成に起因するとされる。
• 理論的モデリングにより、実験的位相非対称性およびダイオード効率が再現され、ピーク効率は軌道的位相勾配が超伝導ギャップと一致する磁場近傍で観測された。
• 局所的および非局所的コンダクタンスの両方において非可逆的応答が観察され、フラックスローブの一端ではスペクトルギャップが小さく、他端では大きく、方向性のあるスーパーカレント流れが確認された。

Figure 2: Nonreciprocal Andreev bound state spectrum. (a)–(e) Differential conductance measured in Device 1 as a function of $B_{\perp}$ at different value of $B_{\parallel}$ . At $B_{\parallel}=$ 0, the Andreev bound state spectrum is phase-symmetric within each flux lobe. For non-zero $B_{\paralle